1 引言

在雷達(dá)系統(tǒng)中，發(fā)射機作為重要的組成部分，主要完成信號的放大輸出。行波管具有頻帶寬、輸出功率大等特點，被廣泛應(yīng)用在雷達(dá)系統(tǒng)中，是發(fā)射機的核心部件。據(jù)雷達(dá)電源專家中電華星的工程師介紹，行波管電源是行波管的能量來源，電源的性能對發(fā)射機輸出信號的質(zhì)量以及整個發(fā)射機的重量、體積、功耗、可靠性等起著重要的作用。

2 電源系統(tǒng)的組成

行波管的工作電源主要包括:螺旋線電源、收集極電源、燈絲電源、正偏電源、負(fù)偏電源等，其中高壓電源為螺旋線、收集極電源。本設(shè)計中，行波管高壓電源需求如表1 所示，所有電源電壓均指對陰極電壓。

由于發(fā)射機應(yīng)用于機載工作環(huán)境，為確保行波管電源很好地適應(yīng)這種工作環(huán)境并穩(wěn)定可靠地工作，遵循以下幾點設(shè)計思路。

1 ) 利用變壓器漏感參與諧振，從而減小甚無需外加諧振電感，減小高壓電源體積、重量。

2 ) 主功率開關(guān)管工作于軟開關(guān)狀態(tài)，從減小開關(guān)損耗和提高效率，提升高壓電源的可靠性。

3 ) 盡可能降低高壓變壓器變比，從而減小布電容，以減輕由于分布電容帶來的不利影響。

本設(shè)計的行波管高壓電源框圖如圖1 所示。

3 具體電源設(shè)計

3 . 1 預(yù)穩(wěn)電源設(shè)計

由于載機供電電源的范圍為25V?32V，輸入電壓低，而高壓電源輸出為14k V 的電壓，其高頻變壓器的變比太高，導(dǎo)致分布電容很大，波形失真嚴(yán)重，使高壓電源的工作穩(wěn)定性(可靠性)和效率降低。因此，中電華星的工程師一般會在飛機的供電輸出和高壓電源的供電輸入之間增加一級預(yù)穩(wěn)電源。

預(yù)穩(wěn)電源采用模塊化的DC/DC變換器作為核心器件，外圍采取共模、差模濾波電路以及監(jiān)控電路來構(gòu)成，中電華星一般會采用Vicor等高可靠的模塊電源品牌。選擇模塊化的DC/DC變換器有明顯的優(yōu)點:第一，成熟的模塊化電源，內(nèi)部器件高度集成，電路成熟，具有體積小，可靠性高等優(yōu)點;第二，DC/DC電源變換器具有隔離保護功能，使負(fù)載和飛機配電母線隔離，當(dāng)負(fù)載出現(xiàn)過載和短路的時候，DC/DC電源變換器可以實施過流保護或短路保護;第三，當(dāng)飛機供電母線電壓發(fā)生較大變化時，可以將輸入電壓調(diào)整至用電設(shè)備使用電壓的穩(wěn)定值。

根據(jù)行波管給定的參數(shù)中，可計算得高壓電源的輸出功率

高壓電源的效率按8 5 % 計算，則輸入功率為

考慮一定的余量，預(yù)穩(wěn)電源的輸出功率按100W 設(shè)計。

選用2 只中電華星提供的VICOR電源模塊VI-2WBMX串聯(lián)，以達(dá)到提高輸出電壓的目的。VI-2WBMX模塊的輸入電壓為18VDC?36VDC，輸出電壓為95VDC，輸出功率75W，故預(yù)穩(wěn)電源的輸出電壓為190V，功率為150W。

3 .2 高壓電源設(shè)計

3. 2. 1 高壓電源拓?fù)涞倪x擇

串聯(lián)諧振變換器有下列優(yōu)點：串聯(lián)電容隔斷直流分量，避免高頻變壓器飽和，適合設(shè)計成全橋拓?fù)潆娐?開關(guān)器件的電流隨負(fù)載的降低而減小，因而輕負(fù)載下效率高。缺點:輸出直流濾波電容必須承受大的脈動電流，因此只適合局壓小電流輸出。為了降低高壓變壓器的變比，從而降低分布參數(shù)，高壓變壓器輸出分成三個繞組，經(jīng)倍壓整流串聯(lián)后給行波管提供螺旋線電壓和收集極電壓。

串聯(lián)諧振拓?fù)鋱D如圖2 所示

其中，電感Lr和電容Cr組成諧振網(wǎng)絡(luò)，開關(guān)管S1 和S4、S2 和S3 分別同時開通和關(guān)斷，S1 和S4與S2 和S3 為180°互補導(dǎo)通。

3. 2. 2 全橋串聯(lián)諧振模式選擇

串聯(lián)諧振根據(jù)開關(guān)頻率fs和諧振頻率fr比較有三種不同的工作模式：

1) fs≤fr/2 時，為電流斷續(xù)模式。開關(guān)器件工作在軟開關(guān)狀態(tài)，開通關(guān)斷均可實現(xiàn)零電流。

2)fs≤fr/2≤fr時，為電流連續(xù)模式。開關(guān)器件關(guān)斷時電流為零，開通時電流較大。

3) fs≥fr時，為電流連續(xù)模式。開關(guān)器件開通時電流為零，關(guān)斷時電流較大。

三種模式的電流波形分別如圖3 所示。

因此，采用電流斷續(xù)工作模式，開關(guān)管均工作在軟開關(guān)狀態(tài)，開通關(guān)斷均實現(xiàn)低損耗。

3. 2. 3 高壓電源主要參數(shù)計算

由于變壓器次級高壓整流硅堆反向恢復(fù)時間的限制，諧振頻率fr取100KHz，因此開關(guān)頻率fs= 0. 5fr = 50KHz，變換比 M= Vo/VB= 0. 9 ，電源效率η=0. 85，輸入電壓VIN= 190V。

其中:Z0為諧振阻抗，R'為負(fù)載等效電阻，POUT為輸出功率;η為效率；Vin為預(yù)穩(wěn)電源輸出電壓；fr為諧振頻率。

計算諧振電感：

諧振電容：

考慮到變壓器分布電容的影響，適當(dāng)加大諧振電谷，取 C= 0. 01μF ，則 L≈254μH。

特征阻抗：

諧振回路有效值及峰值電流：

變壓器變比：

高壓電源采用次級串聯(lián)供電模式，對總電壓(螺旋線電壓)進行采樣閉環(huán)，次極采用三繞組分開繞制，其中一組全橋整流輸出電壓為4. 3KV，為收集極供電，變比：N1= V1/Vp= 4. 3KV/(190 X 0?8)≈29;另外兩個繞組經(jīng)二倍壓整流后串聯(lián)輸出，提供收集極對地電壓。變比：N2=N3= (14-4.3)KV/(2X2 X 190X0. 8)≈16。

高壓儲能電容計算：

行波管大工作比10% ，大脈寬為100μS，收集極脈內(nèi)頂降小于50V ，螺旋線脈內(nèi)頂降小于100V ，因此：

高壓電源電路簡圖如圖4 所示。

3. 3 實驗及結(jié)果

基于以上的設(shè)計步驟，研制一臺行波管高壓電源，輸人直流電壓Vin= 28V ，輸出電壓Vk = -14KV,Vc = -4. 3kV，輸出功率POUT= 65W，變換器工作頻率fs=50kHZ。

4 結(jié)語

本文介紹了雷達(dá)電源專家中電華星開發(fā)設(shè)計的一款機載行波管高壓電源，該電源采用兩級電壓變換，高壓變換部分采用零電流全橋串聯(lián)諧振拓?fù)?。該行波管電源具有體積小、重量輕、可靠性高等特點，目前已完成試飛試驗，滿足各項指標(biāo)要求。據(jù)了解，該款高壓電源還被應(yīng)用在機載、艦載等領(lǐng)域。更多電源整體解決方案詳詢中電華星。